Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Одной из основных тенденций совершенствования техники и технологии производства быстрозамороженной продукции является переход с камерного на аппаратное замораживание с помощью скороморозильной техники. Для быстрого замораживания пищевых продуктов в мировой практике используется широкий набор методов и, на их базе, скороморозильных аппаратов, обеспечиваемых машинной или безмашинной (проточной) системами хладоснабжения.
Наибольшее распространение в аппаратах с машинной системой получил воздушный метод, в которых замораживание пищевых продуктов осуществляется при температуре -30-5-35 С. Аппараты такого типа не обеспечивают интервал скорости, характерный для быстрого замораживания продукции. Существенным недостатком таких воздушных аппаратов является также потеря массы продукта от усушки.
Главной стратегией уменьшения усушки является сокращение продолжительности замораживания пищевых продуктов. Исходя из данной стратегии в последние годы наметилась тенденция использования проточных систем хладоснабжения на базе жидкого азота. Теоретической базой промышленного освоения в нашей стране производства быстрозамороженных продуктов с использованием жидкого азота явились исследования Абрамова Н.Д., Каухче-швили Н.Э., Венгер К.П., Антонова А.А., Арбузова С.Н., Пчелинцева С.А, Ручьева А.С., Куликовской Л.В., Колодязной B.C., Феськова О.А. и других ученых.
В настоящее время налажен выпуск отчественного азотного скороморозильного туннельного аппарата (ACTA) для быстрого замораживания широкого ассортимента штучных пищевых продуктов. Недостаток такого аппарата - высокая стоимость криоагента, учитывая его одноразовое использование. Перспективно, в этом плане, для аппарата ACTA использованием низкотемпературного воздуха от турбодетандера, что обеспечит его универсальность по хладагенту.
В институте механики МГУ им. Ломоносова под руководством А.Ш. Ко-булашвили разработан и технически реализован унифицированный типораз-мерный ряд турбодетандеров серии RET, на базе которого построены модели турборефрижераторов ATR производительностью от 100 до 2500 м /ч при температуре поступающего воздуха от-60 до -120 С,
Главное преимущество низкотемпературной воздушной системы хладоснабжения - использование естественной и, следовательно, дешевой и экологически безопасной охлаждающей среды. При этом обеспечиваются скорости процесса, необходимые для условий быстрого замораживания пищевых продуктов.
Использование в туннельном аппарате предлагаемой системы хладоснабжения требует решения ряда теоретических и практических задач, свя-
РОС национальная!
занных, в первую очередь, с разработкой аналитической модели процесса, необходимой для инженерных расчетов данного оборудования, а также с совершенствованием процесса и конструкции скороморозильного аппарата.
Решению такой проблемы и посвящена данная работа, которая выполнялась совместно с ГУ ВНИХИ и ООО "Темп-И" в рамках раздела Федеральной целевой научно-технической программы Миннауки РФ (2003-2004гг.): "Разработать для туннельного аппарата проточную систему хладоснабжения низкотемпературным воздухом от турбохолодильной машины и на ее базе технологию производства быстрозамороженной продукции".
Научный консультант работы: д.т.н. Антонов А.А..
ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Разработка процесса и практических основ быстрого замораживания пищевых продуктов в туннельном аппарате с низкотемпературной воздушной проточной системой хладоснабжения от турборефрижератор-ной установки.
В соответствии с поставленной целью решались следующие ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ:
провести анализ существующих аналитических решений определения продолжительности замораживания объектов классической формы и обосновать выбор математической модели для условий теплообмена в туннельном аппарате с низкотемпературным воздухом и проточной организацией процесса;
организовать экспериментальный стенд и выполнить исследования для получения процессных параметров и проверки адекватности предложенной математической модели;
разработать, на базе отечественного азотного туннельного аппарата (ACTA), конструктивные принципы организации проточной воздушной низкотемпературной системы хладоснабжения от турбодетандера для быстрого замораживания пищевых продуктов;
разработать методики определения расходных параметров работы воздушной системы хладоснабжения и подбора турборефрижераторного агрегата в зависимости от условий организации процесса замораживания продукции;
провести энергетический и технико-экономический анализы работы туннельного скороморозильного аппарата, использующего азотную или воздушную от турборефрижератора проточные системы хладоснабжения.
Предложена математическая модель расчета продолжительности замораживания пищевых продуктов, с использованием принятой их классификации, в туннельном аппарате с проточной воздушной системой хладоснабжения, обеспечивающей симметричный теплообмен, адекватность которой (на уровне 10... 12 %) доказана экспериментальными данными.
Получены, на базе действующего туннельного аппарата АСТА-30, где условия замораживания пищевых продуктов низкотемпературным воздухом
смоделированы газообразным азотом, экспериментальные данные основных показателей процесса.
Рассчитаны, с использованием математической модели, значения критерия Fo, по стадиям и общая, в зависимости от температуры подаваемого воздуха (tnofl = -бО-ь-120 С), толщины (5 = 0,008-5-0,048 м) замораживаемых пищевых продуктов основных классов классификации (Пі - мясопродукты, 1 - птица, Пз - рыба, ГЦ - плоды, ягоды, ITj - овощи) и получены графические зависимости Fo от Ві для данных условий организации процесса.
Предложена методика расчета расхода воздуха (V) для замораживания исследуемых классов пищевых продуктов и получены графические зависимости V от температуры подаваемого в туннель (tn0J1) и выходящего из него (tBbIX) хладагента.
Разработана методика подбора турборефрижераторного агрегата для туннельного аппарата с проточной системой хладоснабжения низкотемпературным воздухом.
Получены результаты сравнительной энергетической оценки, на базе термоэкономического метода и его основных показателей - эксергии и приведенных затрат, проточных систем хладоснабжения с использованием низкотемпературного воздуха и жидкого азота, позволившие обосновать преимущества предлагаемой воздушной системы.
Разработаны способ и устройство проточной системы хладоснабжения низкотемпературным воздухом от турборефрижераторной установки для туннельного скороморозильного аппарата, на которые получен патент РФ №2168123.
Предложены три варианта конструктивного решения подачи воздуха от турборефрижераторной установки в туннельный аппарат, обеспечивающие симметричные условия теплообмена.
Разработана аппаратно-технологическая схема линии производства быстрозамороженной продукции, на примере класса Пз - овощи, с включением в ее работу туннельного аппарата с воздушной системой хладоснабжения от турборефрижератора.
Разработаны, на базе результатов исследований, номограммы определения величины приведенных затрат на замораживание пищевых продуктов классов Пі - Пз классификации в зависимости от условий работы туннельного аппарата с низкотемпературным воздухом.
Получен "Акт производственных испытаний туннельного аппарата АС-ТА-30 и отработки технологии быстрого замораживания пищевых продуктов", где в качестве хладагентов использовали жидкий азот и воздух с температурой -100, -120 С, смоделированной газообразным азотом. При этом были заморожены опытные партии пищевых продуктов, позволившие разработать и утвердить: ТИ, ТУ на сосиски и тесто слоеное, быстрозамороженные в тун-
нельном аппарате ACTA, с использованием жидкого азота или низкотемпературного воздуха.
Получены данные технико-экономического анализа работы скороморозильных туннельных аппаратов с проточной системой хладоснабжения жидким азотом или низкотемпературным воздухом от турборефрижераторной установки, а также воздушного аппарата с холодильной машиной, позволяющие оценить условия эффективного их использования.
аналитическую модель расчета продолжительности замораживания пищевых продуктов предложенной классификации в условиях симметричного теплообмена в туннельном аппарате с проточной воздушной системой хладоснабжения;
результаты экспериментальных данных основных показателей процесса, полученных на действующем азотном аппарате АСТА-30, где условия замораживания пищевых продуктов низкотемпературным воздухом смоделированы газообразным азотом;
способ организации и устройство (патент РФ №2168123) для туннельного скороморозильного аппарата проточной системы хладоснабжения низкотемпературным (-60+-120 иС) воздухом от турбохолодильной установки;
методику подбора воздушного турборефрижераторного агрегата, обеспечивающего работу скороморозильного аппарата;
результаты сравнительной энергетической оценки, с использованием термоэкономического метода, проточных систем хладоснабжения жидким азотом и воздухом от турборефрижератора;
практическую значимость полученных номограмм для инженерных расчетов процесса и оборудования быстрого замораживания продуктов с использованием низкотемпературной воздушной системы хладоснабжения.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: Международной научно-технической конференции "Инженерная защита окружающей среды" (г.Москва, 2002 г.); Международной научной конференции "Живые системы и биологическая безопасность населения" (г. Москва, 2002 г.); конференции "Теоретические и практические аспекты применения методов инженерной механики с целью совершенствования и интенсификации технологических процессов пищевых производств (г. Москва, 2002 г.); научной конференции "Проблемы соверешенствования холодильной техники и технологии" (Москва, 2003 г.).
ПУБЛИКАЦИИ. Основные положения диссертации опубликованы в 6 печатных работах и патенте РФ № 2168123.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 273 стр., включает 166 стр. основного текста, 25 рисунков, 24 таблицы, 175 литературных источников и 5 приложений на 107 стр..
